超导量子干涉仪

超导量子干浸仪（超导量子干涉仪）是一种非常灵敏的磁力计，基于包含约瑟夫森结的超导环路，用于测量极其微妙的磁场。

超导量子干浸仪足够灵敏，可以通过几天的平均测量来测量低至 5×10−14 T 的场。 它们的噪音水平低至 3 fT·Hz−1⁄2。相比之下，典型的冰箱磁铁会产生 0.01 特斯拉（10−2 T），而动物体内的一些过程会产生 10−9 T 和 10−6 T 之间的非常小的磁场。

2000 年代初发明的 SERF 原子磁力计可能比灵敏，不需要低温制冷，但尺寸要大几个数量级（~1 立方厘米），并且必须在接近零的磁场中运行。

超导量子干浸仪主要有两种类型：直流电（DC）和射频（RF）。RF 超导子干浸仪只能与一个约瑟夫森结（超导隧道结）一起工作，这可能会使它们的生产成本更低，但灵敏度较低。

1964 年，福特研究实验室的罗伯特·雅克列维奇( Robert Jaklevic )、约翰·拉贝( John J. Lambe )、詹姆斯·梅瑟罗( James Mercereau )和 阿诺德·西尔弗( Arnold Silver )在布赖恩约瑟夫森 ( Brian Josephson ) 假设了约瑟夫森效应后于 1964 年发明了 DC 超导量子干浸仪，而第 一个约瑟夫森结由约翰·罗威尔 ( John Rowell ) 制造和菲利普·安德森 ( Philip Anderson ) 于 1963 年在贝尔实验室工作。它在超导回路中有两个并联的约瑟夫森结。

它基于 DC 约瑟夫森效应。在没有任何外部磁场的情况下，输入电流 I {displaystyle I} 平均分为两个分支。如果一个小的外部磁场被施加到超导回路，屏蔽电流 I s {displaystyle I_{s}} 开始在回路中循环，产生的磁场抵消了施加的外部磁通量，并产生额外的约瑟夫森 与该外部磁通量成正比的相位。

感应电流在超导回路的一个分支中与 I {displaystyle I} 方向相同，在另一分支中与 I {displaystyle I} 方向相反；总电流在一个分支中变为 I / 2 + I s {displaystyle I/2+I_{s}} 而在另一个分支中变为 I / 2 − I s {displaystyle I/2-I_{s}}。一旦任一支路中的电流超过约瑟夫森结的临界电流 Ic {displaystyle I_{c}} ，结点就会出现电压。

现在假设外部磁通量进一步增加，直到超过 Φ 0 / 2 {displaystyle Phi _{0}/2}，即磁通量量子的一半。由于超导回路所包围的通量必须是通量量子的整数倍，超导子干浸仪现在积极地倾向于将其增加到 Φ 0 {displaystyle Phi _{0}} 而不是筛选通量。电流现在以相反的方向流动，与允许的通量 Φ 0 {displaystyle Phi _{0}} 和刚刚超过 Φ 0 / 2 {displaystyle Phi _{ 0}/2}。

电流随着外场的增加而减少，当通量恰好为 Φ 0 {displaystyle Phi _{0}} 时电流为零，并且随着外场的进一步增加再次反转方向。因此，电流周期性地改变方向，每当通量增加 Φ 0 {displaystyle Phi _{0}} 的额外半整数倍时，最 大安培数每 Φ 的半加整数倍变化一次 0 {displaystyle Phi _{0}} 并且在零安培时每个整数倍。

如果输入电流大于 I c {displaystyle I_{c}} ，那么超导量子干浸仪总是工作在电阻模式。因此，在这种情况下，电压是施加磁场和等于 Φ 0 {displaystyle Phi _{0}} 的周期的函数。由于 DC 超导子干浸仪的电流-电压特性是滞后的，分流电阻 R {displaystyle R} 跨接点连接以消除滞后（在基于氧化铜的高温超导体的情况下， 结自身的固有电阻通常就足够了）。屏蔽电流是施加的磁通量除以环的自感。因此，Δ Φ {displaystyle Delta Phi } 可以估计为 Δ V {displaystyle Delta V}（磁通电压转换器）的函数，

Δ V = R ⋅ Δ I {displaystyle Delta V=Rcdot Delta I}2 ⋅ I = 2 ⋅ Δ Φ L {displaystyle 2cdot I=2cdot { frac {Delta Phi }{L}}} ，其中 L {displaystyle L} 是超导环的自感Δ V = R L ⋅ Δ Φ {displaystyle Delta V={ frac {R}{L}}cdot Delta Phi }

本节中的讨论假定环路中存在完美的通量量化。然而，这仅适用于具有大自感的大环路。根据上面给出的关系，这也意味着小的电流和电压变化。实际上，回路的自感 L {displaystyle L} 并没有那么大。